Με στόχο την ελαχιστοποίηση του χρόνου που απαιτείται για τη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων και το μηδενισμό της αναμονής πριν τη φόρτιση, έχει αναπτυχθεί σήμερα μία σειρά από αρχιτεκτονικές και τρόπους σχεδίασης αποτελεσματικών σταθμών ταχείας φόρτισης.
Άρθρο του κ. Θεόδωρου Σκούρα*
Η ηλεκτροκίνηση είναι το μέλλον του αυτοκινήτου και εξαπλώνεται πλέον με γοργό ρυθμό. Όσο αυξάνεται ο αριθμός των ηλεκτρικών οχημάτων και εξελίσσονται οι μπαταρίες, είναι απαραίτητο να δημιουργηθούν υποδομές φόρτισης για την κάλυψη των αυξανόμενων απαιτήσεων φόρτισης.
Η λύση δίνεται με τη δημιουργία εμπορικών και δημόσιων σταθμών φόρτισης με εγκατεστημένους off-board φορτιστές υψηλής ισχύος, έτσι ώστε να ικανοποιούν όλες τις εισερχόμενες ανάγκες σε φόρτιση EV (ηλεκτροκίνητων οχημάτων) και σε χρόνο συγκρίσιμο με τα συμβατικά πρατήρια καυσίμων βενζίνης. Οι σταθμοί θα βρίσκονται κατά μήκος των κύριων διαδρομών (εθνικές οδοί), σε κατάλληλες αποστάσεις και σε στρατηγικές τοποθεσίες.
Η ίδρυση αυτών των σταθμών φόρτισης επιβαρύνει πολύ το ηλεκτρικό δίκτυο, καθώς αυτοί απαιτούν υψηλές ποσότητες ενέργειας μέσα σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα. Κατά συνέπεια, ορισμένες παράμετροι λειτουργίας του δικτύου επηρεάζονται αρνητικά, όπως η σταθερότητα τάσης, οι απώλειες ισχύος και οι αρμονικές.
Αυτές οι αρνητικές επιπτώσεις στο δίκτυο, μπορούν να μειωθούν με την ενσωμάτωση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ), όπως είναι τα φωτοβολταϊκά, αλλά και συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας.
Σχεδιασμός σταθμών ταχείας φόρτισης
Η μεγαλύτερη χρήση ηλεκτρικών οχημάτων και plug-in υβριδικών προϋποθέτει αποτελεσματικό σχεδιασμό των σταθμών γρήγορης φόρτισης για την παροχή κατάλληλων ρυθμών φόρτισης. Παρακάτω γίνεται αναφορά σε σταθμούς που μπορούν να σχεδιαστούν με διάφορες αρχιτεκτονικές και συνδέσεις στο δίκτυο.
Σταθμοί με κοινό δίαυλο AC
Όπως γνωρίζουμε, οι υποδομές παραγωγής και μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας σήμερα έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα (Alternating Current [AC]), και τα περισσότερα από τα ηλεκτρικά φορτία, όπως τα φώτα, οι ηλεκτροκινητήρες και οι οικιακές συσκευές, τροφοδοτούνται με AC.
Η αρχιτεκτονική σταθμών με κοινό δίαυλο AC βασίζεται σε μια κοινή γραμμή εναλλασσόμενου ρεύματος. Επάνω σε αυτή τη γραμμή AC συνδέονται οι φορτιστές, το ηλεκτρικό δίκτυο και η παραγωγή με ΑΠΕ. Η ηλεκτρική ενέργεια παρέχεται από το δίκτυο μέσω ενός μετασχηματιστή, και στη συνέχεια μέσω του διαύλου μοιράζεται στους φορτιστές.
Οι φορτιστές είναι αμφίδρομοι μετατροπείς ισχύος εναλλασσόμενου (Alternating Current [AC]) / συνεχούς ρεύματος (Direct Current [DC]), και αυτό για να πραγματοποιείται η έξυπνη φόρτιση με το σενάριο διαχείρισης ενέργειας V2G (Vehicle to grid / Από όχημα σε δίκτυο).
Ένα σύστημα παραγωγής ενέργειας από φωτοβολταϊκούς σταθμούς μπορεί να συνδεθεί μέσω μετατροπέα DC/AC στο δίαυλο για να αυξήσει το βαθμό απόδοσης του σταθμού.
Σταθμοί με κοινό δίαυλο DC
Η αύξηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ απαιτεί τη χρήση ηλεκτρονικών κυκλωμάτων DC. Για παράδειγμα, η παραγωγή ενέργειας με χρήση φωτοβολταϊκών, καθώς και η αποθήκευσή της, πραγματοποιείται σε DC. Αυτό καθιστά απαραίτητη τη χρήση μετατροπέα DC/AC για να συνδεθεί με το δίαυλο AC, όπως προαναφέρθηκε, και στη συνέχεια άλλο μετατροπέα AC/DC για να φορτιστεί το όχημα.
Αυτές οι ενεργειακές μετατροπές AC-DC (συγκεκριμένα DC-AC-DC, στην περίπτωση των φωτοβολταϊκών σταθμών παραγωγής) παρουσιάζουν τα μειονεκτήματα των υψηλών απωλειών. Η λύση που προτείνεται για το πρόβλημα των απωλειών είναι η κατασκευή του σταθμού με αρχιτεκτονική βασισμένη στο δίαυλο DC, η οποία έχει λιγότερα στάδια μετατροπής ισχύος AC-DC και συνεπώς μειώνει τις απώλειες και το κόστος υλικού.
Εδώ η προτεινόμενη αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί έναν μετατροπέα εναλλασσόμενου ρεύματος υψηλής απόδοσης, που ονομάζεται επίσης Grid Tie Converter. Ο μετατροπέας αυτός παρέχει τη DC τάση στο δίαυλο από το δίκτυο παράγωγης ηλεκτρικής ενέργειας.
Σε αυτό το δίαυλο DC συνδέονται τα ηλεκτρικά οχήματα (Electric Vehicles [EV]) για φόρτιση μέσω αμφίδρομων μετατροπέων DC-DC, αντί των αντίστοιχων μετατροπέων AC-DC που απαιτούνται στην αρχιτεκτονική διαύλου AC, με σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά την ενεργειακή απόδοση και το κόστος.
Επιπλέον, στο δίαυλο DC είναι δυνατή η σύνδεση των συστημάτων παραγωγής ΑΠΕ απευθείας μέσω ενός απλού μετατροπέα DC-DC, αποφεύγοντας τις απώλειες διπλής μετατροπής (DC-AC-DC). Εκτιμήθηκε ότι αυτή η αρχιτεκτονική παρουσιάζει απώλειες μετατροπής μειωμένες από περίπου 32% της AC αρχιτεκτονικής σε λιγότερο από 10%.
Σταθμοί με τοπική αποθήκευση ενέργειας LES
Τι γίνεται όμως όταν έχουμε σταθμούς υπερταχείας φόρτισης (ultra fast charging stations); Ο κύριος στόχος της υπερταχείας φόρτισης είναι η μείωση των χρόνων φόρτισης έως και 5 λεπτά.
Προκειμένου να ικανοποιηθεί αυτός ο σκοπός, απαιτείται μια μεγάλη παροχή ισχύος, κάτι που συνεπάγεται υπερβολική διάσταση καλωδίων, μετασχηματιστών ισχύος, συσκευών κλπ. Το πρόβλημα μεγαλώνει όταν φορτίζονται πολλά διαφορετικά οχήματα ταυτόχρονα, με αποτέλεσμα να αυξάνει και η αιχμή της ζήτησης.
Ένα ακόμη ζήτημα που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι ότι η παραγωγή ενέργειας από φωτοβολταϊκά εξαρτάται από την τοποθεσία εγκατάστασης, τις εποχιακές διακυμάνσεις και την καθημερινή αλλαγή του καιρού, πράγμα που καθιστά το σύστημα αναξιόπιστο να ανταπεξέλθει σε στιγμή μεγάλης ζήτησης. Η προτεινόμενη λύση είναι η κατασκευή σταθμών με χρήση τοπικής αποθήκης ενέργειας (local energy storage).
Σε αυτό το σύστημα, η ενέργεια που απαιτείται για την εξαιρετικά γρήγορη φόρτιση των ηλεκτρικών οχημάτων μπαταρίας (Battery Electric Vehicle [BEV]) παρέχεται τόσο από το δίκτυο μέσω του μετατροπέα AC-DC όσο και από την αποθήκευση LES και τον μετατροπέα DC-DC. Αυτή η διαμόρφωση του σταθμού θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει τη μείωση του μεγέθους του μετασχηματιστή δικτύου, από την άποψη της ισχύος.
Κατανεμημένη αρχιτεκτονική
Η κατανεμημένη αρχιτεκτονική είναι αντίθετη με την κεντρική αρχιτεκτονική, και συναντάται συχνά σε σταθμούς υπερταχείας φόρτισης. Βασίζεται σε μετασχηματιστές δικτύου MV/LV που λειτουργούν μεμονωμένα. Χαρακτηριστικό είναι ότι ο κάθε μετασχηματιστής τροφοδοτεί το δικό του φορτιστή με αμφίδρομο μετατροπέα AC-DC. Και εδώ έχουμε τοπική αποθήκευση ενέργειας, έτσι ώστε η μέση ισχύς φόρτισης να παρέχεται από το δίκτυο, ενώ οι κορυφές ισχύος τροφοδοτούνται από το buffer της μπαταρίας.
Το κυριότερο πλεονέκτημα της κατανεμημένης αρχιτεκτονικής είναι η υψηλότερη αξιοπιστία.
Συμπέρασμα
Η ανάπτυξη των σταθμών ταχείας φόρτισης έχει στόχο να μηδενίσει την αναμονή πριν τη φόρτιση και να ελαχιστοποιήσει το χρόνο που απαιτείται για τη φόρτιση των οχημάτων. Ο σωστός σχεδιασμός ενός συστήματος φόρτισης που χρησιμοποιεί μια ποικιλία από ΑΠΕ μπορεί να βοηθήσει σίγουρα στη μείωση της εξάρτησης από ορυκτά καύσιμα για τη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και να κρατήσει ψηλά τη ποιότητα ισχύος του δικτύου.
Βιβλιογραφία
- Dongxiang Yanma, Chengbinma Chengbin. October 2019. Optimal Sizing of A PV Based Electric Vehicle Charging Station Under Uncertainties. IECON 2019 – 45th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society
- M.P. Kazmierkowski, Krzysztof Zymmer. 2018. Power electronic architecture of supply systems for electric vehicle charging. Poland. Electrotechnical Institute, M. PoĪaryskiego 28, 04-703
- Dominic Savio Abraham, Rajesh Verma, Lakshmikhandan Kanagaraj, Sundar Rajan Giri Thulasi Raman, Narayanamoorthi Rajamanickam, Bharatiraja Chokkalingam, Kamalesh Marimuthu Sekar and Lucian Mihet-Popa. 6 August 2021. Electric Vehicles Charging Stations’ Architectures, Criteria, Power Converters, and Control Strategies in Microgrids. Electronics 2021, 10(16), 1895; https://doi.org/10.3390/electronics10161895
- Nian Liu, Minyang Cheng. 22 February 2017. Effectiveness Evaluation for a Commercialized PV-Assisted Charging Station. China. Sustainability 2017, 9(2), 323
- Graham Town, Seyedfoad Taghizadeh, Sara Deilami. 10 February 2022. Review of Fast Charging for Electrified Transport: Demand, Technology, Systems, and Planning. Energies 2022, 15(4), 1276; https://doi.org/10.3390/en15041276
- Deepak Ronanki, Apoorva Kelkar, Sheldon S. Williamson. 29 September 2019. Extreme Fast Charging Technology—Prospects to Enhance Sustainable Electric Transportation. Energies 2019, 12(19), 3721; https://doi.org/10.3390/en12193721
- J. G. Pinto, Vitor Monteiro, Bruno Exposto, Luis A. M. Barros, Tiago J. C. Sousa,
- L. F. C. Monteiro, João L. Afonso. 21 November 2019. Power Electronics Converters for an Electric Vehicle Fast Charging Station with Energy Storage System and Renewable Energy Sources. EAI Endorsed Transactions on Energy Web 7(25):161749, DOI: 10.4108/eai.13-7-2018.161749
- Naireeta Deb, Rajendra Singh, Richard R. Brooks, Kevin Bai. 12 November 2021. A Review of Extremely Fast Charging Stations for Electric Vehicles. Energies 2021, 14(22), 7566; https://doi.org/10.3390/en14227566
*Ο κ. Θεόδωρος Σκούρας είναι ηλεκτρολόγος μηχανικός, ενώ από το 1997 είναι εκπαιδευτής ηλεκτρολόγων σε τεχνικές σχολές.
